Agronomy 2020, 10, 821; doi:10.3390/agronomy10060821  www.mdpi.com/journal/agronomy 

Article 

Challenges and Prospects of Biogas from Energy 

Cane as Supplement to Bioethanol Production 

Kevin Hoffstadt 1,*, Gino D. Pohen 1, Max D. Dicke 1, Svea Paulsen 1, Simone Krafft 1,   

Joachim W. Zang 2, Warde A. da Fonseca‐Zang 2, Athaydes Leite 3 and Isabel Kuperjans 1 

1  FH Aachen University of Applied Science, Institute NOWUM‐Energy, Heinrich‐Mussmann‐Str. 1,   

52428 Juelich, Germany; gino‐dominik.pohen@alumni.fh‐aachen.de (G.D.P.);   

max.dicke@alumni.fh‐aachen.de (M.D.D.); Paulsen@fh‐aachen.de (S.P.); Krafft@fh‐aachen.de (S.K.); 

Kuperjans@fh‐aachen.de (I.K.) 2  Federal Institute of Goiás (IFG), Goiás 76600‐000, Brazil; Joachim.zang@ifg.edu.br (J.W.Z.); 

warde@quimica‐industrial.com (W.A.d.F.‐Z.) 3  PlanET Biogas Group GmbH, Up de Hacke 26, 48691 Vreden, Germany; A.Leite@planet‐biogas.com 

*  Correspondence: k.hoffstadt@fh‐aachen.de 

Received: 5 May 2020; Accepted: 4 June 2020; Published: 9 June 2020 

Abstract:  Innovative  breeds  of  sugar  cane  yield  up  to  2.5  times  as  much  organic  matter  as 

conventional  breeds,  resulting  in  a  great  potential  for  biogas  production.  The  use  of  biogas 

production as a complementary solution to conventional and second‐generation ethanol production 

in Brazil may  increase  the  energy produced per hectare  in  the  sugarcane  sector. Herein,  it was 

demonstrated that through ensiling, energy cane can be conserved for six months; the stored cane 

can then be fed into a continuous biogas process. This approach is necessary to achieve year‐round 

biogas production at an industrial scale. Batch tests revealed specific biogas potentials between 400 

and 600 LN/kgVS for both the ensiled and non‐ensiled energy cane, and the specific biogas potential 

of a continuous biogas process fed with ensiled energy cane was  in the same range. Peak biogas 

losses through ensiling of up to 27% after six months were observed. Finally, compared with second‐

generation ethanol production using energy cane, the results indicated that biogas production from 

energy cane may lead to higher energy yields per hectare, with an average energy yield of up to 162 

MWh/ha. Finally,  the Farm²CBG  concept  is  introduced,  showing  an  approach  for decentralized 

biogas production. 

Keywords:  energy  crops;  sugarcane; methane  potential;  biofuels;  renewable  energy  generation; 

Farm2CBG; CBG; Brazil 

 

1. Introduction 

Sugar cane cultivation was established during  the colonization of Brazil by Portugal. Brazil’s 

geographical and climatic conditions are highly suitable for the growth of sugar cane, which is mainly 

processed into sugar and bioethanol. Additionally, heat and electricity are produced through burning 

bagasse  in  steam  boilers.  The  oil  crisis,  that  began  in  the  early  1970s  and  culminated  in  1979, 

prompted the Brazilian government to launch the Brazilian alcohol program (Pró‐Álcool) in 1975, to 

produce ethanol  for  fuel,  in an effort  to become  less dependent on  fossil oil  imports, which have 

reduced since 1989 [1]. After committing to the Paris Agreement in 2015, the Brazilian government 

launched the RenovaBio program in 2017, which aims to reduce carbon dioxide emissions by 43% 

compared with the emissions in 2005, by 2030, through the introduction of carbon dioxide emission 

certificates [2,3]. Although bioethanol was established to counter high oil prices, growing awareness 

of  climate  change and  the need  to  reduce greenhouse gases  is  likely  to  result  in ongoing  strong 

Agronomy 2020, 10, 821  2  of  17 

demand  for alcohol as a  fuel  in Brazil  [3]. Consequently,  in 2018, approximately 33.1 billion L of 

ethanol were produced, including 30.3 billion L for use as fuel [4]. 

In response to past high oil prices, Brazil’s total annual sugar cane production increased from 

79.8 million  tons  in  1970  to  620 million  tons  in  2018–2019. Because of  the  increased demand  for 

production capacities, new sugar cane processing plants have been built between 2004 and 2019 [5,6]. 

In 2019, 343 sugar cane processing plants were operating in Brazil [7]. 

Most ethanol mills that have been built in the last two decades can also produce surplus electrical 

energy, which  is generated  from  the  steam  that  results  from burning bagasse. Consequently,  the 

electrical energy contribution from bagasse combustion to the Brazilian grid rose from 7.9 TWh/a in 

2009 to 21.5 TWh/a in 2018 [8,9]. Contrary to the positive effect of reduced carbon dioxide emissions 

from biofuels related to fossil fuels, sugar cane cultivation can increase the deforestation in Brazil, 

which has a negative impact on the climate and native communities [10,11]. Energy crop cultivation 

on  the  landside  is  competing with  food  and  consumables production  and  residential  areas  [12]. 

Producing ethanol or biogas out of microalgal biomass and waste from industrial agriculture may be 

an  approach  to  counteract deforestation.  In Brazil,  about  40 TWh/a of  electrical  energy  could be 

generated  from biogas  converted  from  landfills, wastewater  treatment, vinasse,  cattle‐, pig‐,  and 

poultry  manure  [13].  Biogas  or  ethanol  production  from  microalgae  would  shift  bioenergy 

production to the sea, leading, for example, to new food production capacity on the fertile soil, but 

these techniques need to be further developed to reach market maturity [14–16]. Energy cane can be 

cultivated on marginal soil for ethanol and biogas production. Thereby, fertile soil capacities would 

be released [17,18]. 

To  accomplish  efficient  ethanol  production  from  sugar  cane,  second‐generation  ethanol 

processes must be used, because of  the high  cellulose  content  in  sugar  cane. Yeasts  in  industrial 

ethanol production lack the enzyme expression necessary to degrade cellulose to glucose. In second‐

generation ethanol production, cellulose‐degrading enzymes are added during a hydrolyzation step 

prior  to  fermentation. Since 2015,  second‐generation ethanol has been produced  from sugar cane 

waste in Brazil, and in 2018, approximately 25 million L were produced from cellulose [4]. Biogas 

could be produced complementary to second‐generation ethanol from sugar cane, as it has a high 

fiber content, including cellulose, which can also be degraded to methane during biogas fermentation 

[18,19]. 

In Brazil, the possibility of using biogas for electricity production or as biofuel had largely been 

overlooked  until  2010, when  the  first  sugar  cane  processing  plants were  also  used  for  energy 

generation. Approximately 95% of  the biogas produced  in Brazil  is  landfill gas  from urban waste 

digestion, and  this means that agricultural waste and energy crops such as energy cane represent 

major  unexploited  sources  for  biogas  production  [20].  Industrial  biogas  processes  are  well 

established, especially in Germany, where the first biogas plants were constructed in the 1980s to use 

manure for energy generation. Biogas consists mainly of methane (50–75%) and carbon dioxide   

(25–45%) [21]. Since 1992, the amount of biogas plants in Germany rose from 139 to 9444 plants in 

2018, and the feed of biomass for biogas production, especially maize silage, increased [22]. In 2018, 

approximately  29.4  TWh/a  were  produced  from  biogas,  representing  4.5%  of  the  total  energy 

generation in Germany [23]. 

The feasibility of the anaerobic digestion of byproducts from sugar cane processing into sugar 

and  bioethanol  has  already  been  demonstrated  by  studies  on  the  biogas  potential  of  the waste 

materials vinasse, filter cake, bagasse and straw [24–27]. However, to date, the biogas potential of the 

entire sugar cane plant has not been sufficiently investigated. In the past, for bioethanol production, 

the goal had been to maximize the sugar content of cane, which is inconsistent with producing cane 

that meets the biomass needs of biogas production. Since the 1970s, however, sugar cane breeds with 

increased biomass yields, so‐called energy cane, have been developed  for energy production  [17]. 

The cultivation of energy cane can lead to up to 2.5 times higher yields of dry matter per hectare (68.4 

tDM/ha) compared with conventional sugar cane (27.6 tDM/ha) [18]. The increased yield of biomass per 

hectare also boosts the energy amount that can be obtained per hectare. 

Agronomy 2020, 10, 821  3  of  17 

Several aspects, such as the organic  loading rate,  technical challenges and  the specific biogas 

yield, must be considered when changing the feed source of a biogas process. Since the energy cane 

harvest  is  seasonal  and  biogas  processes must  be  fed  continuously,  conservation  of  the  cane  is 

essential for a stable biogas process. This requires examining whether energy cane can be ensiled, like 

the  energy  crop  maize,  which  is  predominant  in  Germany.  Problems  regarding  the  process 

performance must also be resolved: for example, the high fiber content of energy cane may lead to 

flotation layers in the biogas plant that hinder the mixing process [18,28,29]. Furthermore, the high 

lignin content in energy cane may lower the biogas potential if no pretreatment is applied, because 

the anaerobic degradability of lignin is poor [29,30]. 

The novelty of this study is the investigation of the ensiling of the entire energy cane crops for 

conservation and the determination of the biogas potential to compare its area‐related energy yield 

with that of modern ethanol production in Brazil. Published data on energy cane conversion to biogas 

are low, and there are only a few concepts known to establish energy cane related biogas production. 

The main objectives of this study are (i) demonstrating the feasibility of energy cane ensiling to 

provide year‐round biogas feed for biogas production in batch tests and (ii) in a continuous biogas 

process,  (iii)  comparing  the  area  related  energy yield of biogas  and  first‐  and  second‐generation 

ethanol  production  from  energy  cane,  (iv)  introduction  of  a  concept  for  decentralized  biogas 

production. 

2. Materials and Methods 

The experiments  to determine  the biogas potential of Brazilian energy cane were carried out 

with  samples of  the entire plant.  In order  to ensure year‐round  feeding of  the continuous biogas 

process, a conservation period of six months was required. 

2.1. Ensiling 

Samples of energy cane plants,  including  the straw (leaves), were obtained  from a sugarcane 

producer in the Brazilian State of Goiás. Two lots of energy cane (lot A and lot B) were used for the 

experiments. 

Lot A was obtained  two months before  the determination of  the  specific biogas yield. After 

shipment  within  two  weeks,  energy  cane  plants  were  shredded  to  approximately  10–100  mm 

(Holzhaecksler, 35 mm, Boels Verleih GmbH, Willich, Germany) on  the Campus  Jülich of  the FH 

Aachen University of Applied  Sciences  in Germany. The  shredded  energy  cane was  compacted, 

ensiled in a 120 L polyethylene barrel, and stored at room temperature for two months. The remaining 

air was displaced by nitrogen (N2), to avoid aerobic digestion and mold growth. 

The entire composition of the energy cane plants in lot B, including the straw, was preshredded 

in Brazil at the Instituto Federal de Goiás, and the shredded matter was sent to Germany, where it 

was shredded  to approximately 4–10 mm  (1830 Coffee Flavour, CASO, Arnsberg, Germany) and 

ensiled  in vacuum bags (Lava V.300® Premium,  la.va, Bad Saulgau, Germany), with and without 

natrium hydroxide  (NaOH; 0.25 mol/kgFM). Natrium hydroxide was added, because of promising 

results  from preliminary  trials  in Brazil, and because  it may  reduce silage  losses  [19,31,32]. Three 

loose‐packed  samples  and  three  tightly  packed  samples  of  each  treatment were  stored  at  room 

temperature  for  four months. Furthermore,  the weight of each silage bag was documented at  the 

beginning and at the end of ensiling. To determine possible weight losses due to ensiling, a precision 

balance with a reproducibility of ±0.01 g was used (LSP‐1502, VWR, Darmstadt, Germany) [33]. 

For the continuous process, tightly packed energy cane with NaOH addition was prepared like 

the batch test preparations and ensiled. Amounts of substrate were removed from the bag weekly for 

feeding the continuous biogas process, after which the bag was vacuum‐sealed again. 

2.2. Analysis of Energy Cane Composition 

The energy cane composition was determined externally by the German Institute for Soil and 

Environment from the LUFA‐Nord‐West, with the following being measured: nitrogen (N), carbon 

Agronomy 2020, 10, 821  4  of  17 

(C), C/N  ratio,  acid  detergent  fiber  (ADF),  amylase‐treated  neutral  detergent  fiber  (aNDF),  acid 

detergent lignin (ADL), dry matter (DM), ash content, crude protein, crude fat, and the theoretical 

biogas yield, according to the method of Baserga [34]. 

2.3. Batch Tests 

The batch tests were performed in glass eudiometers in accordance with DIN 38 414 [35]. In the 

batch tests of lot A, amounts of fresh matter (FM) energy cane (10 or 15 g), shredded to approximately 

4–10 mm (1830 Coffee Flavour, CASO, Arnsberg, Germany) were added to an inoculum of digestate 

(240 or 235 g) from a German agricultural mesophilic biogas plant (70% maize‐silage and 30% liquid 

manure) in triplicate. In addition, three batch tests were prepared, with 250 g inoculum as control. 

The amount of fresh mass used was chosen based on previous batch tests (data not shown). Batch 

trials in lot B were prepared with a volumetric organic load of 10.5–12.5 gVS/L and an inoculum of 200 

g (70% maize‐silage and 30% liquid manure). For parallel biogas determination, two samples of each 

vacuum  bag  were  used,  leading  to  each  six  samples  of  the  four  different  ensiling  conditions 

(control/tight,  control/loose,  NaOH/tight,  NaOH/loose).  For  the  estimation  of  specific  biogas 

potential,  the biogas potential of 200 g  inoculum was measured  in  triplicate. The  specific biogas 

potential of the non‐ensiled energy cane (non‐ensiled EC) was determined in triplicate with 9 gVS/L 

and 200 g inoculum. For control, the biogas potential of 200 g inoculum was determined in triplicate. 

The  digestate was  preheated  for  24  h  at  40  °C  to  enhance microbial metabolism.  Following  the 

substrate addition, the testing vessels were pivoted to mix the substrate with the microorganisms. 

The  trials were prepared at 40  °C; water baths  (Aqua Line AL 18, LAUDA, Lauda‐Königshofen, 

Germany) were used to temper the vessels. The volumetric organic loadings of the tests are shown 

in Table 1. 

Table 1. Batch tests: volumetric organic load, initial substrate weight, and amount of the inoculum. 

Energy Cane Lot  Volumetric Organic Load (gVS/L)  Energy Cane (g)  Inoculum (g) 

A  7.1  10  240 

A  10.6  15  235 

B  10.5–12.5  8  200 

2.4. Continuous Biogas Process 

The  continuous biogas process was performed as described by Paulsen  et al.,  in a modified 

continuous stirred  tank  reactor  (Bioprocess Control), with an enlarged drain pipe and a working 

volume of 10 l [36]. The process was fed once per day, with organic loading rates varying between 

1.05 and 1.51 gVS/(L × d). The moisture of  the  feed was adjusted  to 25%DM with  tap water. Biogas 

production  was  measured  (MilliGascounter,  Ritter  Apparatebau,  Bochum,  Germany)  and  its 

methane  and  carbon  dioxide  composition  were measured  (Multitec  540,  SEWERIN,  Gütersloh, 

Germany) on daily basis from the cumulated gas. The digestate was analyzed as follows: VOA/TIC 

(BIOGAS  Titration  Manager,  Hach,  Hach  Lange  GmbH,  Duesseldorf,  Germany)  and  pH 

(pHenomenal pH  1100L®, VWR, Darmstadt, Germany, with  a BlueLine  22 pH  electrode  from  SI 

Analytics/ Xylem Analytics Germany Sales GmbH & Co. KG, Weilheim, Germany) were determined 

twice per week. Volatile organic acids were analyzed once per week or during acidification daily via 

gas chromatography (GC‐2010 with AOC‐20i Auto‐Injector, Shimadzu Scientific Instruments, Kyoto, 

Japan and Column: FS‐FFAP‐CB‐0,25 CS‐Chromatographie Service, Langerwehe, Germany). Total 

phosphorous, ammonium and total nitrogen bound were measured once per week (LT 200 and DR 

2800,  standardized  kits  LCK350,  LCK238,  LCK302,  LCK302,  Hach  Lange  GmbH,  Duesseldorf, 

Germany). DM and volatile solids (VS) content of the digestate was determined on a weekly basis (N 

100/14, Nabertherm, Lilienthal, Germany). 

In addition, the concentrations of trace elements were adjusted to 16 mg/kgVS nickel, 25 mg/kgVS 

cobalt,  7.5  mg/kgVS  molybdenum,  and  0.5  mg/kgVS  selenium  (at  day  562),  on  the  basis  of  the 

nutritional analysis of the digestate by LUFA‐Nord‐West. The carbon/nitrogen/phosphorous (C/N/P) 

ratio of the digestate could not be adjusted, because the C content was not determined. Instead, the 

Agronomy 2020, 10, 821  5  of  17 

N/P ratio was related to the VS as the VS/N/P ratio. At day 565, the contents of N and P were increased 

through  the addition of diammonium phosphate and urea, resulting  in a VS/N/P ratio of 70 gVS:1 

gN:0,15 gP. 

2.5. Calculation of Theoretical Energy Yields 

The theoretical energy cane–based methane yield, first‐ and second‐generation ethanol yields, 

area‐related energy yields from biogas, and total ethanol production were calculated based on the 

biogas yields of the continuous process shown in this work and the crop yield and composition data, 

based on dos Santos et al. and Kim and Day, which are shown in Table 2 [18,29]. 

Table 2. Crop yield data based on dos Santos et al. and Kim and Day [18,29]. 

Substrate Fresh Matter (FM) 

Yield (tFM/ha) 

Dry Matter (DM) 

Yield (tDM/ha) VS Yield (tVS/ha)  Source 

Sugar cane  92  27.59  26.4 2  dos Santos et al. [18] 

Sugar cane  70  9 1  8.4 1,2  Kim and Day [29] 

Energy cane  180  68.4    67.0 2  dos Santos et al. [18] 

Energy cane  100  46.4  45.6 2  Kim and Day [29] 

1 excluding sugar 2 volatile solids (VS) were calculated/estimated assuming 0.8%FM ash content 

The  calculation  of  the  theoretical  area‐related  energy  yield  from  biogas was  based  on  the 

minimum biogas yield of energy cane, with 400 m3N/tVS and 50% methane  content and  the mean 

biogas yield of energy cane with 475 m3N/tVS and 51% methane content. Biogas losses through ensiling, 

and losses through pretreatment and processing for biogas and ethanol production, were neglected. 

3. Results 

3.1. Ensiling and Batch Tests 

The ensiling process was monitored through visual and olfactory control. Mold growth  is an 

indicator of leakage of the ensiling vessel, because it is oxygen dependent. Thus, a foul or rotten odor 

indicates  faulty  fermentation. Two  lots of energy cane were ensiled and  tested  for specific biogas 

production:  lot A and  lot B. After  two months of ensiling,  the energy  cane  in  lot A exhibited no 

negative visual or olfactory characteristics. Batch tests indicated that specific biogas production from 

the ensiled energy cane (lot A), which achieved stability after 28 days, was between 417 ± 45 (10 gFM) 

and 485 ± 66 LN/kgVS (15 gFM; shown in Figure 1). This demonstrated that a biogas process based on 

energy cane is generally feasible. 

Agronomy 2020, 10, 821  6  of  17 

 

Figure 1. Specific biogas production of ensiled energy cane lot A 10 gFM (result: 417 LN/kgVS) and lot A 

15 gFM (result: 485 LN/kgVS). 

In the batch tests of the non‐ensiled energy cane from lot B, a specific biogas production of   

599 ± 22 LN/kgVS was achieved after 42 days (non‐ensiled EC in Figure 2.). In addition, the composition 

of the non‐ensiled sugar cane was analyzed, and the results (shown  in Table 3)  indicated that the 

biogas potential was approximately 555 LN/kgVS, according to the method of Baserga [34]. 

Table 3. Composition of non‐ensiled energy cane FM of lot B. 

Parameter  Value  Parameter  Value 

C/N ratio  107  DM (%)  29.2 

Nitrogen (%)  0.15  Ash content (%)  0.8 

Carbon (%)  16.5  Crude protein (%)  1 1ADFVS (%)  15  Crude fiber (%)  12.9 2ADL (%)  2.2  Crude fat (%)  0.6 

3aNDFVS (%)  22.5     

1 acid detergent fiber 2 acid detergent lignin 3amylase‐treated neutral detergent fiber. 

After ensiling  the energy cane for four months, with and without the addition of NaOH and 

using loose or tight packaging, the specific biogas potential was determined again, over a period of 

44 days through batch tests. The batch tests of the energy cane ensiled without the addition of NaOH 

(“control” in Figure 2) revealed a biogas potential of 469 ± 103 LN/kgVS for the tightly packed silage 

and  536  ±  108 LN/kgVS  for  the  loose‐packed  silage. Yields  for  tightly packed  silages with NaOH 

reached 518 ± 77 LN/kgVS, and the loose‐packed silage yielded 524 ± 100 LN/kgVS (Figure 2). 

Batch tests demonstrated that ensiling energy cane for four months decreased its biogas potential 

by 10–22% compared with fresh, non‐ensiled energy cane (Figure 2) and 3–16% compared with the 

biogas potential  calculated based on  the method of Baserga. No weight  loss was detectable after 

ensiling the energy cane. The influence of the varied NaOH addition and packing density was not 

observed under the given circumstances. 

Agronomy 2020, 10, 821  7  of  17 

 

Figure 2. Specific biogas production of ensiled energy cane tightly and loose packed, with and without 

the addition of NaOH, and non‐ensiled energy cane (EC) of lot B. 

3.2. Continuous Biogas Process 

Ensiled energy cane was fed to a mesophilic stirred continuous biogas process. Data concerning 

the establishment of the biogas process (Day 1 to 500) were published by Paulsen et al., resulting in 

an average gas production of 0.5 m3N/kgVS (500 LN/(kgVS respectively) [36]. The continuous process 

was  susceptible  to  acidification  caused  by  the massive  local  accumulation  of  slowly  degradable 

floating fibers. 

As shown in Figure 3 and Figure 4, the main parameters for monitoring acidification, the volatile 

organic acid to total inorganic carbon ratio (VOA/TIC) and the acetic acid concentration, rose from 

day  555  to  day  564,  although  feeding  was  paused  between  day  555  and  558.  To  counteract 

acidification, trace elements were added on day 562. Because the acetic acid concentration did not 

decrease after trace element supplementation (Figure 3), the VS/N/P ratio of 70 gVS:0.7 gN:0.14 gP was 

adapted on day 565. 

Because the acetic acid concentration and the VOA/TIC ratio decreased from day 565, the organic 

loading rate was increased on day 571 from 1.36 gVS/(L × d) to 1.51 gVS/(L × d). This inhibited the gas 

formation  of  the  process  on  day  573  and  led  to  increased  acetic  acid  and  isovaleric  acid 

concentrations. Without changing the parameters, the process regenerated on day 574. Subsequently, 

the process was stable until day 593, and no further acidification occurred. 

The specific gas production varied from approximately 0.36 to 0.5 m3N/kgVS (360 to 500 LN/kgVS 

respectively),  between days  574  and  593  (Figure  3). During  the  given period,  the  biogas  carbon 

dioxide  concentration  was  between  20  and  30%,  and  the  methane  concentration  ranged  from 

approximately 25 to 65% (Figure 4). 

Table 4 presents the average process parameters of the time periods prior to the addition of trace 

elements and macronutrients (days 544–561), the adaption phase after the addition (days 562–573), 

and the recovered biogas process (days 574–593). An average methane production rate of 242 LN/kgVS 

for  the period of days 574–593 was calculated based on  the daily  specific biogas production and 

methane concentration. 

Agronomy 2020, 10, 821  8  of  17 

 

Figure 3. Specific daily biogas production, VOA/TIC, total phosphorous, total nitrogen, ammonium, 

and organic  loading  rate of  the  continuous biogas process  (40  °C; pH 7.0–8.0,  lot B). The days of 

macronutrient and trace element supplementation are marked. 

 

Figure  4.  Acetic,  propionic,  and  isovaleric  acid  concentrations  and  biogas  composition  of  the 

continuous biogas process (40 °C; pH 7.0–8.0,  lot B). The days of macronutrient and  trace element 

supplementation are marked. 

 

Agronomy 2020, 10, 821  9  of  17 

Table 4. Average process parameters of the periods: days 544–561, days 562–573, and days 574–593 

(40 °C; pH 7.0–8.0; fed with energy cane (lot B)). 

Period CH4 

(%) 

CO2 

(%) 

Specific Biogas 

Production 

(m³N/kgVS) 

Organic 

Loading Rate 

(gVS/(L × d)) 

VOA/

TIC 

Ntotal 

(g/L) 

Ptotal 

(g/L) 

NH4+ 

(g/L) 

Days 544–561  52  29  0.35  1.05  0.41  0.72  0.14  0.24 

Days 562–573  55  24  0.43  1.40  0.42  0.95  0.14  0.21 

Days 574–593  55  29  0.44  1.51  0.24  0.92  0.13  0.37 

4. Discussion 

Biogas was produced successfully from the whole energy cane plant in batch tests and in the 

continuous process, even after ensiling  the energy cane. The conservation of energy cane over six 

months, which  is  necessary  to  ensure  a  continuous  year‐round  feed  of  the  biogas  process, was 

successful.  The  high  biogas  losses  through  ensiling  after  four months with  6–16%  according  to 

Baserga or 13–22% according to the batch test of non‐ensiled EC, and six months with 20% according 

to Baserga or 27% according  to  the batch  test of non‐ensiled EC  represent peak values;  the mean 

values were not determined. By  comparison,  silage  losses  from  the well‐established  energy  and 

forage crop maize result in 12% lower biogas yields at the industrial scale in Germany [34]. The high 

losses  of  biogas potential  caused  by  ensiling  the  sugar  cane may  be  reduced  by  optimizing  the 

ensiling process through, for example, the application of silage additives [37,38]. Nevertheless, the 

average silage losses for energy cane ensiling must be determined in the field. 

Batch tests of the ensiled energy cane (lot A) indicated that it had lower biogas potential (10 gFM: 

417 LN/kgVS; 15 gFM: 485 LN/kgVS) than was observed during the stable continuous process (also lot A, 

mean: 559 LN/kgVS) [36]. The batch tests on the non‐ensiled energy cane of lot B revealed a higher 

biogas potential (599 LN/kgVS) than what had been calculated theoretically according to the method 

of Baserga (555 LN/kgVS)[34]. This may be attributable to the microleakage of the glass eudiometers, 

which would allow air to enter, leading to overestimation of the biogas potential or underestimation 

of the methane potential when methane concentration would have been measured [39]. Compared 

with  the  automatic  methane  potential  test  system  (AMPTS),  which  works  similarly  to  the 

MilliGascounter,  the  biogas  potential  examined  by  eudiometers  can  be  twice  as  high  [40].  The 

eudiometers used for batch testing indicated only the potential of biogas production, and not that of 

methane  production.  The  batch  tests  suffered  from  high  standard  deviation, maybe  due  to  low 

sample homogeneity. As the entire crop was used for the tests and cane straw and stalks digestion 

lead to different methane yields (sugar cane straw approx. 230–260 LN/kgVS, sugar cane stalks   

300–350 LN/kgVS  [27,41]),  sample homogeneity  is  rather  important,  but  on  the  same  side  hard  to 

achieve, even though the samples were mixed and shredded. 

Yeast activities in sugar cane silage may reduce the soluble carbohydrates content and lead to 

losses  of  DM.  The  addition  of  1.0–1.5%FM NaOH may  support  lactic  bacteria  and  increase  the 

digestibility value of dry matter by improving the digestibility of neutral detergent fiber [31,32,42]. 

Furthermore,  increased  lactic  acid  concentrations  may  inhibit  ethanol  fermentation  [43]. 

Nevertheless,  the  addition  of NaOH  to  the  ensiling  process  did  not  show  an  improved  biogas 

potential in batch tests. This could also be caused by the high standard deviation. The continuous 

process provides a more reliable value than the batch test does, because it is closer to the technical 

upscaling application; the microbiome adapts to the substrate composition over time, and the biogas 

volume was measured by a MilliGascounter  (Dr.‐Ing. RITTER Apparatebau, Bochum, Germany), 

which  is  less  susceptible  to  false positive  results  than  eudiometers  are. However,  leakage of  the 

MilliGascounter  tubing  can  lead  to  false negative  results  and  the  consequent underestimation of 

biogas potential. 

The  anaerobic  fermentation  of  methane  from  energy  cane  must  produce  an  energy  yield 

comparable to conventional ethanol production for biogas to be practicable, especially in view of the 

currently booming second‐generation ethanol production. In Brazil, an average of 6280 L/ha of first‐

generation ethanol with 36.7 MWh/ha energy, based on the lower heating value of ethanol, can be 

Agronomy 2020, 10, 821  10  of  17 

produced from sugar cane [44]. Through second‐generation ethanol production, an additional 4572 

l/ha (26.7 MWh/ha) can be produced [29]. This totals a production of 63.4 MWh/ha from sugar cane. 

To reveal the potential of biogas production from the energy cane, its area‐related energy yield 

was calculated. No area‐related crop yields were given for the tested energy cane, so the theoretical 

energy yield, as shown in Table 5, was calculated on the basis of the crop yield from two different 

studies  (dos  Santos  et  al.  and  Kim  and  Day)  and  the  minimum  and  mean  biogas  potentials 

determined in this work [18,29]. Neither energy consumption nor product losses were considered 

with respect to biogas or ethanol production. 

Table 5. Theoretical energy cane‐based methane yield, first‐ and second‐generation ethanol yields, 

area‐related energy yields from biogas, and total ethanol production. 

Substrate 

Methane Yield 

min/mean 

(m³N/ha) 

1st gen. 

Ethanol 

Yield 

(L/ha) 

2nd gen. 

Ethanol 

Yield (L/ha) 

Total 

Ethanol 

Yield 

(L/ha) 

Biogas Energy 

Yield 

min/mean 

(MWh/ha) 

Ethanol 

Energy 

Yield 

(MWh/ha) 

Energy cane 1  13,392 3/16,204 4  4282  14,256  18,538  134 3/162 4  109 

Energy cane 2  9120 3/11,035 4  3400  12,991  16,391  91 3/110 4  96 

Sugar cane 1  5371 3/6499 4  6525  3782  10,307  (54 3/65 4)  60 

Sugar cane 2  1688 3/2042 4  ‐  4572  4572  (17 3/20 4)  27 

1 Crop yield and composition data based on dos Santos et al.2 Crop yield and composition data based 

on Kim and Day.3 Calculated based on the minimum biogas yield of energy cane with 400 LN/kgVS 

and 50% methane content.4 Calculated based on the mean biogas yield of energy cane with 475 LN/kgVS 

and 51% methane content. 

With respect to the average specific gas production in the period of days 574–593, the biogas 

potential was  reduced by 27%  compared with  the batch  test  results  for non‐ensiled  energy  cane 

digestion  (599  LN/kgVS).  According  to  the  biogas  potential  calculated  from  the  energy  cane 

composition based on the method of Baserga, the loss would be approximately 20% after six months 

of  ensiling  [34].  Supplementation  of macronutrients  and  trace  elements  had  a  positive  effect  on 

process stability. 

The energy yields per hectare from total ethanol and biogas production out of energy cane are 

shown in Table 4. The energy potential from biogas production, based on the data of Kim and Day, 

was slightly lower when assuming the minimum biogas potential. In all other cases, however, biogas 

production from energy cane was found to result in a superior energy yield per hectare compared 

with ethanol production, including second‐generation ethanol production. Silage losses (assumed to 

be 12–20%) were neglected in the calculation (Table 5), because only peaks were evaluated instead of 

the average. Consequently, prior to application, they must be validated in the field. 

Based on  the calculations, sugar cane exhibited a  lower potential  for biogas  than  for ethanol. 

Since  the calculations  for biogas energy yield  from  sugar cane were based on  the  specific biogas 

potential  for  energy  cane,  the  calculations  should  be  repeated  for  the  as‐yet unidentified  biogas 

potential  of  the  continuous  anaerobic  fermentation  of  conventional  sugar  cane.  The  batch  test 

fermentation  of  ensiled  Australian  sugar  cane  stalks  yielded  300–350  LN/kgVS methane  [41].  In 

comparison, the results of the continuous ensiled energy cane fermentation (242 LN/kgVS) were lower. 

Different  plant  composition,  ensiling  strategies,  inoculum,  conditions  for  growth  and  the  poor 

comparability of batch  tests  and  continuous processes may  influence  the methane potential of  a 

substrate  [33,41,45,46]. Seeing  the  influence of  local  conditions  (e.g.,  soil properties,  cane breeds, 

climate), the need for data on methane potential becomes clear. 

In comparison with methane potential of other substrates with high lignocellulose content, like 

wheat straw (237–269 LN/kgVS) and miscanthus (247 l/kgVS;278.7 L/kgVS), the results of energy cane 

(242 lN/kgVS) are of a similar magnitude [47–49]. Compared with energy cane, the average methane 

yield from anaerobic maize silage digestion is comparatively higher, at approximately 340 LN/kgVS, 

but higher crop yields  from energy cane may compensate  for  its  lower methane potential  [21,50]. 

Between 2013 and 2017, the average maize silage yield in Germany was approximately 16.2 tDM/ha 

Agronomy 2020, 10, 821  11  of  17 

(assuming 33%DM/FM and 95%VS/DM), resulting in 5223 m3N/ha of methane with 52.0 MWh/ha energy, 

based on  the  lower heating value of methane  [21,51].  If biogas  technology  is applied  to Brazilian 

maize silage yields (17.4–28.2 tDM/ha), a production between 55.9 and 90.6 MWh/ha can be expected 

(assuming 95%VS/DM)  [21,52]. Although the Brazilian maize yields can possibly be  improved  in the 

future  through  further  industrialization,  the prospects  for energy cane as biogas substrate are not 

diminished, because, compared with maize silage fermentation, the theoretical biogas energy yields 

per hectare from energy cane are 1.5 to 2.9 times higher than those of maize silage, and the yields 

from sugar cane are of a similar magnitude. Despite the promising data regarding biogas production 

from energy cane in Table 5, the results still need to be confirmed at the industrial scale in the field. 

To establish a stable energy cane biogas industry, production technology must be economical. 

Furthermore, a thorough understanding of the technologies and their advantages and disadvantages 

is  important. A comparison of the production schemes of biogas and first‐ and second‐generation 

ethanol is shown in Figure 5. 

 

Figure 5. Production schemes of compressed biogas (CBG) from biogas plants (BGP) and first‐ and 

second‐generation ethanol (EtOH). 

Due  to  the harvest periods,  ethanol mills  cannot  run year‐round  [29]. Transportation of  the 

seasonally  harvested  energy  cane  to  the  ethanol mill  accounts  for  up  to  75%  of  the  bioethanol 

production costs [53]. The average distance that sugar cane must be transported to the ethanol mills 

varies between 25 and 40 km [53,54]. For first‐generation ethanol production, the sugar cane/energy 

cane plants are washed prior to sugar milling, producing sugar juice as the product and bagasse as 

the by‐product. The bagasse can either be used for heat and surplus energy production, or it can be 

enzymatically hydrolysed in the second‐generation ethanol process. The sugar juice and the glucose 

containing hydrolysate are then fermented into ethanol by yeast and finally distilled. Bagasse, filter 

cake, and vinasse can be used as fertilizer or fed into a biogas plant [25–27]. 

For  biogas  production,  the  energy  cane must  be  chopped  into  small  pieces  to  improve  its 

availability for the microorganisms. The chopped cane is ensiled for conservation. Biogas is produced 

from the silage, and then it is compressed and purified. The digestate of the biogas process can be 

used  as  fertilizer. When  comparing  the biogas process with  first‐  and  second‐generation  ethanol 

processes, several challenges are evident for establishing the biogas industry. Increasing energy cane 

yields per hectare may overcome these challenges in the future, because a more‐sophisticated second‐

generation ethanol process is needed for efficient ethanol production, which might be more difficult 

to handle [15,17,18]. Since the second‐generation ethanol process is still under development, biogas 

Agronomy 2020, 10, 821  12  of  17 

processes may be a promising alternative or supplement, especially due to the high theoretical biogas 

energy  yield per hectare. The  implementation  of  energy  cane–based  biogas  technology  in Brazil 

would enable year‐round compressed biogas (CBG) production (and employment). The produced 

CBG could be used as  fuel  for vehicles,  for cooking, or  for  industrial processes. CBG can be used 

instead of diesel fuel for heavy‐duty vehicles and thereby reduce carbon dioxide emissions and the 

costs for energy cane cultivation and transport, especially in view of the carbon dioxide certificates 

that will be introduced as part of the RenovaBio program [55,56]. 

With “Farm2CBG,” the authors propose a possible concept for biogas distribution, as shown in 

Figure 6. 

 

Figure 6. Farm2CBG: A possible concept for biogas distribution via pipelines or as compressed biogas 

(CBG) from rural biogas plants (BGP) to urban areas in Brazil. 

Since the investment costs for upgrading to biogas production decrease with the increasing size 

of the biogas plant, the economic efficiency, especially for small to medium‐sized biogas plants, can 

be  improved  through  a  joint  biogas  processing  plant  [57].  In  the  Farm²CBG  concept,  each  farm 

supplies the biomass for a single biogas plant. Therefore, the energy cane is ensiled and stored at the 

farms close to the biogas plant. The remaining digestate can be used as a fertilizer for energy cane 

cultivation. This creates a material cycle in agriculture. After desulfurization and dehumidification, 

the biogas is quantified and injected into a low‐pressure pipeline, that connects surrounding biogas 

plants with the gas processing plant. Thus, the substrate transport distances can be kept low. At the 

central  plant,  the  biogas  can  then  be  purified  to  achieve  higher  methane  concentrations  and 

compressed using  renewable  energy  sources. The processed  gas  is  then  filled  into  a  central  gas 

storage and transported by pipelines or tank trucks as CBG to distributors and customers. Due to the 

centralization  of  gas  processing,  small  biogas  plants  or  a  waste  digester  may  be  integrated. 

Participating  farmers,  as  suppliers,  are paid  according  to  the  amount of biogas  injected  into  the 

system. The concept presents an opportunity for biogas production in rural areas, and consumption 

in urban areas. 

To realize the concept, several factors must be considered, such as the economic efficiency of the 

concept, the burden of investment costs, and biogas plant design. For example, farms with an area of 

1000 ha or more represent the largest share (60%) of total sugar cane production in Brazil [58]. Using 

the substrate of 1000 ha for a single biogas plant would result in a very large biogas plant (4.9 MWel). 

By comparison,  in Germany, 500 kWel biogas plants with combined heat and power units are  the 

standard. If such a scale were adapted to energy cane feeding on the basis of the parameters in Table 

Agronomy 2020, 10, 821  13  of  17 

6, an approximately 100 ha cultivation area and a  fermenter with a capacity of 3300 m³ would be 

required (producing 1.35 MWh on the basis of the lower heating value of methane). 

Table 6. Parameters of a 500 kWel biogas plant fed with energy cane based on the results of this 

work. 

Parameter  Value  Parameter  Value 

Operating time (d)  334  Operating time (h/a)  8016 

Area related energy cane yield (tVS/ha)  67  Silage losses (%)  20 

Organic loading rate (1.5 kgVS/(m3 × d))  1.5  Methane yield (m3/tVS)  200 

ηel (%)  37     

For example, a single biogas plant for a 1000 ha farm would be over 30,000 m³ in size. 

To  simplify  the  construction  of  biogas  plants,  several  smaller  plants  could  be  built.  The 

construction of biogas plants adjacent to farms would reduce the transport distances. Assuming a 

square outline of a 1000 ha farm, an edge length of 3.33 km can also be assumed. Even in the worst‐

case  scenario  (positioning  the  biogas plants  at  the  corners  of  the  farm),  the maximum  transport 

distance would be 6.66 km (73–83% less than the average in ethanol production). The farm design is 

highly dependent on local circumstances, and thus, the given assumptions must be checked on a case‐

by‐case basis. Furthermore, the biogas and ethanol production from energy cane should be compared 

based on life cycle assessments after validation of the given results in the field. In addition, to produce 

biogas from energy cane, technical applications must be adapted to the new substrate; for instance, 

sand  separators  can be  implemented  to avoid  the washing  step  (which would  result  in a  loss of 

substrate and thus energy), and special mixers can be used to avoid floating layers. Future upgrades 

notwithstanding,  the present  results give an  impressive  first overview of  the potential  for biogas 

technology in Brazil. 

5. Conclusions 

Biogas can be produced from energy cane with sufficient specific biogas yields (approximately 

400  to  600  lN/kgVS).  Furthermore,  ensiling  can  conserve  the  substrate  for  up  to  six months with 

acceptable silage  losses. The high calculated energy yields per hectare must still be proven  in  the 

field, but they are indicative of the promise of biogas production. 

If introduced into the Brazilian market, biogas production from energy cane can be a promising 

energy solution  that complements  first‐ and second‐generation ethanol production. Since second‐

generation  ethanol  production  is  a  highly  sophisticated  process  that  is  still  under development, 

biogas  production  might  be  more  accessible,  practically  and  economically.  For  the  successful 

industrial implementation of biogas production from energy cane, ensiling and preprocessing (e.g., 

cane  shredding) must be  scaled up. The Farm²CBG  concept  represents a  first  impression of how 

biogas processes based on energy cane can be established. Centralized gas purification could reduce 

the costs for single farmers, and thus, small farm communities could also supply biogas by sharing 

investment costs. 

Finally, in addition to technical and economic considerations, political incentivization will also 

be necessary to establish  the biogas  technology  in Brazil. For example, the European regenerative 

energy directive has proven  to be an effective  instrument  for  reducing carbon dioxide emissions, 

which has also  led  to  an  expansion of  the biogas  sector  [21,59].  If  implemented  consistently,  the 

RenovaBio program may also foster the expansion of the biogas sector in Brazil [2]. 

Author Contributions: Conceptualization: J.W.Z., W.A.d.F.‐Z., A.L., K.H., S.K.; investigation: M.D.D., G.D.P., 

S.P., K.H.; project administration: I.K., S.K.; resources: J.W.Z., W.A.d.F.‐Z., A.L.; supervision: I.K; visualization: 

M.D.D., G.D.P., S.P., K.H.; writing—original draft: K.H., G.D.P.; writing—review and editing: G.D.P., M.D.D., 

S.P., K.H., J.W.Z., W.A.d.F.‐Z., A.L., S.K., I.K. All authors have read and agreed to the published version of the 

manuscript. 

Funding: This research was funded by the German Federal Ministry of Education and Research (grant number 

031B0172A). 

Agronomy 2020, 10, 821  14  of  17 

Acknowledgments: The authors would like to thank Markus Dahmen, Isabelle Grudda, Daniel Gierens, Kristina 

Braun, Michelle Reutemann, Alex James, Julien Tilly, and Sebastian Decker for supporting the execution of the 

experiments. 

Conflicts of Interest: The authors declare no conflict of interest. 

References 

1. Kohlhepp, G. Análise da situação da produção de etanol e biodiesel no Brasil. Estud. Av. 2010, 24, 223–253, 

doi:10.1590/S0103‐40142010000100017. 

2. Salina, F.H.; de Almeida, I.A.; Bittencourt, F.R Chapter 30 RenovaBio Opportunities and Biofuels Outlook 

in Brazil.  In Renewable Energy  and Sustainable Buildings: Selected Papers  from  the World Renewable Energy 

Congress WREC 2018,  Innovative Renewable Energy; Sayigh, A., Ed; Springer  International Publishing: 

Cham, Switzerland, 2020; ISBN 978‐3‐030‐18487‐2. 

3. Grassi, M.C.B.; Pereira, G.A.G. Energy‐cane and RenovaBio: Brazilian vectors to boost the development of 

Biofuels. Ind. Crop. Prod. 2019, 129, 201–205, doi:10.1016/j.indcrop.2018.12.006. 

4. Barros, S.; Flake, O. Brazil ‐Biofuels Annual 2019; USDA Foreign Agricultural Service; 2019; pp. 1–29;. 

5. FAOSTAT. Available online: http://www.fao.org/faostat/en/ (accessed on 29 November 2019). 

6. Companhia Nacional  de Abastecimento  (CONAB) Acompanhamento  da  safra   brasileira  de  cana‐de‐

açúcar V.6 ‐ SAFRA 2019/20 ‐ N.3. 2019, 6, 53. 

7. RPA Consultoria. RPA News: Em  2019, 23% das usinas brasileiras de  cana‐de‐açúcar  estarão paradas. 

novaCana.com,  2019.  Available  online:  https://www.novacana.com/n/industria/usinas/2019‐23‐usinas‐

cana‐de‐acucar‐brasileiras‐paradas‐050419 (accessed on 28 April 2020). 

8. Leal, M.R.L.V.; Walter, A.S.; Seabra, J.E.A. Sugarcane as an energy source. Biomass Convers. Biorefin. 2013, 

3, 17–26, doi:10.1007/s13399‐012‐0055‐1. 

9. de  Souza,  Z.J.  Bioelectricity  of  sugarcane:  A  case  study  from  Brazil  and  perspectives.  In  Sugarcane 

Biorefinery, Technology and Perspectives; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 2020; pp. 255–279, ISBN 978‐

0‐12‐814236‐3. 

10. Martinelli, L.A.; Filoso, S. Expansion of sugarcane ethanol production in Brazil: Environmental and social 

challenges. Ecol. Appl. 2008, 18, 885–898, doi:10.1890/07‐1813.1. 

11. Seyffarth, A.R. The impact of rising ethanol production on the Brazilian market for basic food commodities: 

An econometric assessment. Env. Resour. Econ. 2016, 64, 511–536, doi:10.1007/s10640‐015‐9881‐5. 

12. Steinbuks, J.; Hertel, T.W. Confronting the Food–Energy–Environment Trilemma: Global Land Use in the 

Long Run. Environmental and Resource Economics 2016, 63, 545–570, doi:10.1007/s10640‐014‐9848‐y. 

13. dos Santos, I.F.S.; Vieira, N.D.B.; de Nóbrega, L.G.B.; Barros, R.M.; Filho, G.L.T. Assessment of potential 

biogas production from multiple organic wastes in Brazil: Impact on energy generation, use, and emissions 

abatement. Resour. Conserv. Recycl. 2018, 131, 54–63, doi:10.1016/j.resconrec.2017.12.012. 

14. Zabed, H.M.; Akter,  S.;  Yun,  J.;  Zhang,  G.;  Zhang,  Y.; Qi,  X.  Biogas  from microalgae:  Technologies, 

challenges and opportunities. Renew. Sustain. Energy Rev. 2020, 117, 109503, doi:10.1016/j.rser.2019.109503. 

15. Carvalho‐Netto, O.V.; Bressiani, J.A.; Soriano, H.L.; Fiori, C.S.; Santos, J.M.; Barbosa, G.V.; Xavier, M.A.; 

Landell, M.G.; Pereira, G.A. The potential of the energy cane as the main biomass crop for the cellulosic 

industry. Chem. Biol. Technol. Agric. 2014, 1, doi:10.1186/s40538‐014‐0020‐2. 

16. Lu, W.; Alam, M.A.; Liu, S.; Xu, J.; Saldivar, R.P. Critical processes and variables  in microalgae biomass 

production coupled with bioremediation of nutrients and CO2 from livestock farms: A review. Sci. Total 

Env. 2020, 716, 135247, doi:10.1016/j.scitotenv.2019.135247. 

17. Matsuoka, S.; Kennedy, A.J.; dos Santos, E.G.D.; Tomazela, A.L.; Rubio, L.C.S. Energy cane: Its concept, 

development, characteristics, and prospects. Adv. Bot. 2014, 2014, 1–13, doi:10.1155/2014/597275. 

18. dos Santos, L.V.; de Barros Grassi, M.C.; Gallardo, J.C.M.; Pirolla, R.A.S.; Calderón, L.L.; de Carvalho‐Netto, 

O.V.; Parreiras, L.S.; Camargo, E.L.O.; Drezza, A.L.; Missawa, S.K.; et al. Second‐generation ethanol: The 

need is becoming a reality. Ind. Biotechnol. 2016, 12, 40–57, doi:10.1089/ind.2015.0017. 

19. Almeida, S.; Zang, J.W.; Da Fonseca‐Zang, W.A.; Freitas, R.A.; Lima, W.S.; Rubio, L.C. Estudo cinético da 

produção de biometano de cana‐de‐açúcar e cana‐energia. Anais do V. Simpósio int. sobre gerenc. de resíduos 

agropecuários e agroindustiais SIGERA, 2017, 5, 280–283 

20. Freitas, F.F.; De Souza, S.S.; Ferreira, L.R.A.; Otto, R.B.; Alessio, F.J.; De Souza, S.N.M.; Venturini, O.J.; 

Junior,  O.H.A.  The  Brazilian  market  of  distributed  biogas  generation:  Overview,  technological 

development and case study. Renew. Sustain. Energy Rev. 2019, 101, 146–157, doi:10.1016/j.rser.2018.11.007. 

Agronomy 2020, 10, 821  15  of  17 

21. Guide  to  Biogas;  Fachagentur  Nachwachsende  Rohstoffe  e.V.  (FNR),  Deutsches 

BiomasseForschungsZentrum  (DBFZ),  Kuratorium  für  Technik  und  Bauwesen  in  der  Landwirtschaft, 

Institut für Agrartechnologie und Biosystemtechnik (KTBL), Eds.; Bioenergie; Rostock, Germany, 2010; Vol. 

5;. 

22. Biogas  market  data  in  Germany  2018/2019  Available  online: 

https://www.biogas.org/edcom/webfvb.nsf/id/EN‐German‐biogas‐market‐data/$file/19‐07‐

12_Biogasindustryfigures‐2018‐2019_english.002.pdf (accessed on 3 December 2019). 

23. Basisdaten Bioenergie Deutschland 2019 [Brochure]; Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR, Ed.; 

Basisdaten Bioenergie; 17th ed.; 2019; 

24. Janke, L.; Leite, A.; Nikolausz, M.; Schmidt, T.; Liebetrau, J.; Nelles, M.; Stinner, W. Biogas production from 

sugarcane waste: Assessment on kinetic challenges for process designing. Int. J. Mol. Sci. 2015, 16, 20685–

20703, doi:10.3390/ijms160920685. 

25. Rabelo,  S.C.; Carrere, H.;  Filho,  R.M.;  Costa, A.C.  Production  of  bioethanol, methane  and  heat  from 

sugarcane  bagasse  in  a  biorefinery  concept.  Bioresour.  Technol.  2011,  102,  7887–7895, 

doi:10.1016/j.biortech.2011.05.081. 

26. Moraes,  B.S.;  Junqueira,  T.L.;  Pavanello,  L.G.;  Cavalett,  O.;  Mantelatto,  P.E.;  Bonomi,  A.;  Zaiat,  M. 

Anaerobic digestion of vinasse  from sugarcane biorefineries  in Brazil  from energy, environmental, and 

economic  perspectives:  Profit  or  expense?  Appl.  Energy  2014,  113,  825–835, 

doi:10.1016/j.apenergy.2013.07.018. 

27. Janke, L.; Weinrich, S.; Leite, A.F.; Schüch, A.; Nikolausz, M.; Nelles, M.; Stinner, W. Optimization of semi‐

continuous anaerobic digestion of sugarcane straw co‐digested with filter cake: Effects of macronutrients 

supplementation  on  conversion  kinetics.  Bioresour.  Technol.  2017,  245,  35–43, 

doi:10.1016/j.biortech.2017.08.084. 

28. Lienen, T.; Kleyböcker, A.; Brehmer, M.; Kraume, M.; Moeller, L.; Görsch, K.; Würdemann, H. Floating 

layer  formation,  foaming,  and microbial  community  structure  change  in  full‐scale biogas plant due  to 

disruption of mixing and substrate overloading. Energy Sustain. Soc. 2013, 3, 20, doi:10.1186/2192‐0567‐3‐

20. 

29. Kim, M.; Day, D.F. Composition  of  sugar  cane,  energy  cane,  and  sweet  sorghum  suitable  for  ethanol 

production at Louisiana sugar mills. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2011, 38, 803–807, doi:10.1007/s10295‐010‐

0812‐8. 

30. Mulat, D.G.; Dibdiakova,  J.; Horn, S.J. Microbial biogas production  from hydrolysis  lignin:  Insight  into 

lignin structural changes. Biotechnol. Biofuels 2018, 11, doi:10.1186/s13068‐018‐1054‐7. 

31. Bernardes, T.F.; Siqueira, G.R.; Schocken‐Iturrino, R.P.; Roth, A.P.T.P.; Reis, R.A. Synergism of chemical 

and microbial additives on sugarcane (Saccharum officinarum) silage fermenation. In Silage Production and 

Utilisation; Wageningen Academic Publishers, Wageningen, Netherlands, 2005; p. 202. 

32. Siqueira, G.R.; Reis, R.A.; Schocken‐Iturrino, R.P.; Bernardes, T.F.; Pires, A.J.V.; Roth, M.T.P.; Roth, A.P.T.P. 

Associação entre aditivos químicos e bacterianos na ensilagem de cana‐de‐açúcar. R. Bras. Zootec. 2007, 36, 

789–798, doi:10.1590/S1516‐35982007000400006. 

33. Kreuger, E.; Nges, I.; Björnsson, L. Ensiling of crops for biogas production: Effects on methane yield and 

total solids determination. Biotechnol. Biofuels 2011, 4, 44, doi:10.1186/1754‐6834‐4‐44. 

34. Baserga, U. Landwirtschaftliche Co.Vergärungs‐Biogasanlagen. Fat‐Ber. 1998, 512, 1‐11. 

35. DIN 38414‐8 (1985‐06‐00), German standard methods for the examination of water, waste water and sludge; 

sludge and sediments (group S); determination of the amenability to anaerobic digestion (S 8) 1958. 

36. Paulsen, S.; Hoffstadt, K.; Krafft, S.; Leite, A.; Zang, J.; Fonseca‐Zang, W.; Kuperjans, I. Continuous biogas 

production from sugarcane as sole substrate. Energy Rep. 2020, 6, 153–158, doi:10.1016/j.egyr.2019.08.035. 

37. Muck, R.E.; Nadeau, E.M.G.; McAllister, T.A.; Contreras‐Govea, F.E.; Santos, M.C.; Kung, L. Silage review: 

Recent advances and future uses of silage additives. J. Dairy Sci. 2018, 101, 3980–4000, doi:10.3168/jds.2017‐

13839. 

38. Herrmann, C.; Idler, C.; Heiermann, M. Improving aerobic stability and biogas production of maize silage 

using silage additives. Bioresour. Technol. 2015, 197, 393–403, doi:10.1016/j.biortech.2015.08.114. 

39. Hülsemann, B.; Zhou, L.; Merkle, W.; Hassa, J.; Müller, J.; Oechsner, H. Biomethane potential test: Influence 

of inoculum and the digestion system. Appl. Sci. 2020, 10, 2589, doi:10.3390/app10072589. 

40. Kleinheinz, G.; Hernandez, J. Comparison of two laboratory methods for the determination of biomethane 

potential of organic feedstocks. J. Microbiol. Methods 2016, 130, 54–60, doi:10.1016/j.mimet.2016.08.025. 

Agronomy 2020, 10, 821  16  of  17 

41. Janke,  L.; McCabe,  B.K.;  Harris,  P.;  Hill,  A.;  Lee,  S.; Weinrich,  S.; Marchuk,  S.;  Baillie,  C.  Ensiling 

fermentation reveals pre‐treatment effects for anaerobic digestion of sugarcane biomass: An assessment of 

ensiling  additives  on  methane  potential.  Bioresour.  Technol.  2019,  279,  398–403, 

doi:10.1016/j.biortech.2019.01.143. 

42. Neumann, M.; Oliboni, R.; Oliveira, M.R.; Faria, M.V.; Ueno, R.K.; Reinerh, L.L.; Durman, T. Chemicals 

additive used in silages. Pesqui. Apl. Agrotecnologia 2010, 3, 187–195. 

43. Ma, H.;  Yang,  J.;  Jia,  Y.; Wang,  Q.;  Tashiro,  Y.;  Sonomoto,  K.  Stillage  reflux  in  food  waste  ethanol 

fermentation  and  its  by‐product  accumulation.  Bioresour.  Technol.  2016,  209,  254–258, 

doi:10.1016/j.biortech.2016.02.127. 

44. Boddey, R.M.; Soares, L.H.B.; Alves, B.J.R.; Urquiaga, S. Bio‐ethanol production in Brazil. In Biofuels, Solar 

and Wind as Renewable Energy Systems; Pimentel, D., Ed.; Springer: Dordrecht, The Netherlands, 2008; pp. 

321–356; ISBN 978‐1‐4020‐8653‐3. 

45. Brauer‐Siebrecht, W.;  Jacobs, A.; Christen, O.; Götze, P.; Koch, H.‐J.; Rücknagel,  J.; Märländer, B. Silage 

maize  and  sugar  beet  for  biogas  production  in  rotations  and  continuous  cultivation: Dry matter  and 

estimated methane yield. Agronomy 2016, 6, 2, doi:10.3390/agronomy6010002. 

46. Krzystek, L.; Wajszczuk, K.; Pazera, A.; Matyka, M.; Slezak, R.; Ledakowicz,  S. The  influence of plant 

cultivation  conditions  on  biogas production: Energy  efficiency. Waste Biomass Valor.  2020,  11,  513–523, 

doi:10.1007/s12649‐019‐00668‐z. 

47. Victorin, M.; Davidsson, Å.; Wallberg, O. Characterization of mechanically pretreated wheat  straw  for 

biogas production. Bioenergy Res. 2020, doi:10.1007/s12155‐020‐10126‐7. 

48. Kiesel, A.; Lewandowski, I. Miscanthus as biogas substrate–Cutting tolerance and potential for anaerobic 

digestion. Gcb Bioenergy 2017, 9, 153–167, doi:10.1111/gcbb.12330. 

49. Katukuri, N.R.; Fu, S.; He, S.; Xu, X.; Yuan, X.; Yang, Z.; Guo, R.‐B. Enhanced methane production of 

Miscanthus  floridulus  by  hydrogen  peroxide  pretreatment.  Fuel  2017,  199,  562–566, 

doi:10.1016/j.fuel.2017.03.014. 

50. Rath, J.; Heuwinkel, H.; Herrmann, A. Specific biogas yield of maize can be predicted by the interaction of 

four biochemical constituents. Bioenerg. Res. 2013, 6, 939–952, doi:10.1007/s12155‐013‐9318‐3. 

51. Peters,  D.;  Becker,  A.;  Kemnitz,  D.  Anbau  und  Verwendung  nachwachsender  Rohstoffe  in  Deutschland; 

Erhebung,  Aufbereitung  und  Analyse  statistischer  Daten  zum  Anbau  und  zur  Verarbeitung 

nachwachsender Rohstoffe und Energiepflanzen in Deutschland sowie Weiterentwicklung von Methoden 

hierzu (NRstat); Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.: Germany, 2019; pp. 1–15;. 

52. Daniel, J.L.P.; Bernardes, T.F.; Jobim, C.C.; Schmidt, P.; Nussio, L.G. Production and utilization of silages 

in tropical areas with focus on Brazil. Grass Forage Sci. 2019, 74, 188–200, doi:10.1111/gfs.12417. 

53. de Castro, R.E.N.; de Brito Alves, R.M.; do Nascimento, C.A.O.; Giudici, R. Assessment of sugarcane‐based 

ethanol production.  In Fuel Ethanol Production  from Sugarcane; Peixoto Basso, T., Carlos Basso, L., Eds.; 

IntechOpen:London, United Kingdom 2019; ISBN 978‐1‐78984‐937‐0. 

54. Rocha, M.H.; Capaz, R.S.; Lora, E.E.S.; Nogueira, L.A.H.; Leme, M.M.V.; Renó, M.L.G.; del Olmo, O.A. Life 

cycle assessment (LCA) for biofuels in Brazilian conditions: A meta‐analysis. Renew. Sustain. Energy Rev. 

2014, 37, 435–459, doi:10.1016/j.rser.2014.05.036. 

55. Delgado, O.; Muncrief, R. Assessment of Heavy‐Duty Natural Gas Vehicle Emissions:  Implications and 

Policy Recommendations; International council on clean transportation, 2015; p. 42;. 

56. Zang, J.W.; Martins, K.F.; Fonseca‐Zang., W.A.D. Life Cycle inventory for biomethane as a diesel substitute 

for  the  Brazilian  ethanol  industry–Case  study.  Energy  Procedia  2018,  153,  444–449, 

doi:10.1016/j.egypro.2018.10.048. 

57. Urban, W. Biomethane injection into natural gas networks. In The Biogas Handbook; Elsevier: Amsterdam, 

The Netherlands, 2013; pp. 378–403, ISBN 978‐0‐85709‐498‐8. 

 

Agronomy 2020, 10, 821  17  of  17 

58. Ferreira Filho, J.B.d.S.; Vian, C.E.d.F. The evolving role of large and medium farms on Brazilian agriculture. 

Agric. Econ. 2016, 47, 215–225, doi:10.1111/agec.12310. 

59. Chiaramonti, D.; Goumas, T.  Impacts on  industrial‐scale market deployment of advanced biofuels and 

recycled  carbon  fuels  from  the  EU  Renewable  Energy  Directive  II.  Appl.  Energy  2019,  251,  113351, 

doi:10.1016/j.apenergy.2019.113351. 

 

© 2020 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access 

article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution 

(CC BY) license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).